JPH06213623A - 光学式変位センサ - Google Patents
光学式変位センサInfo
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- JPH06213623A JPH06213623A JP744993A JP744993A JPH06213623A JP H06213623 A JPH06213623 A JP H06213623A JP 744993 A JP744993 A JP 744993A JP 744993 A JP744993 A JP 744993A JP H06213623 A JPH06213623 A JP H06213623A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 測定面に傾きがあったり測定面に傷やゴミ等
があった場合にも被測定物の変位を正確に測定でき、か
つ測定面の傾きをも測定できる光学式変位センサを提供
する。 【構成】 半導体レーザ１と、半導体レーザ１からの光
を被測定物７に投光する対物レンズ８とを備えた光学回
路の反射光路上に、被測定物からの反射光２ｃを光源光
から分離するビームスプリッタ４と、反射光を複数条の
ビーム１４，１５に分割する他のビームスプリッタ１３
と、分割された複数条のビームを夫々集光する検出レン
ズ９ｃと、集光されたビームをそれぞれ受光する２つの
光検出器２１，２２を設ける。これら２つの光検出器の
うち、１つを検出レンズの焦点面より前方に、他を検出
レンズの焦点面より後方に配置した。
があった場合にも被測定物の変位を正確に測定でき、か
つ測定面の傾きをも測定できる光学式変位センサを提供
する。 【構成】 半導体レーザ１と、半導体レーザ１からの光
を被測定物７に投光する対物レンズ８とを備えた光学回
路の反射光路上に、被測定物からの反射光２ｃを光源光
から分離するビームスプリッタ４と、反射光を複数条の
ビーム１４，１５に分割する他のビームスプリッタ１３
と、分割された複数条のビームを夫々集光する検出レン
ズ９ｃと、集光されたビームをそれぞれ受光する２つの
光検出器２１，２２を設ける。これら２つの光検出器の
うち、１つを検出レンズの焦点面より前方に、他を検出
レンズの焦点面より後方に配置した。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光学式変位センサに係
り、特に多自由度変位を測定可能なセンサに関するもの
である。
り、特に多自由度変位を測定可能なセンサに関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】従来より知られている光学式変位センサ
の一例を図６に示す。同図から明らかなように、本例の
光学式変位センサは、光源となる半導体レーザ１と、半
導体レーザ１からの拡散光２ａを平行光２ｂに変換する
コリメートレンズ３と、Ｓ偏光をほぼ１００％反射し、
Ｐ偏光をほぼ１００％透過するビームスプリッタ４と、
特定方向の偏光に対してλ／４（λはレーザの波長）の
位相差を与えるλ／４位相板５と、光束径を制限する開
口６ａと、半導体レーザ１からの光を被測定物の測定面
７に集光する対物レンズ８と、測定面７からの反射光２
ｃを集光する検出レンズ群９と、測定面７からの反射光
２ｃを反射光形状に応じて電気信号に変換する光検出器
１０、それに該光検出器１０からの出力信号を変位信号
に変換する信号処理回路（図示せず）とから構成されて
いる。
の一例を図６に示す。同図から明らかなように、本例の
光学式変位センサは、光源となる半導体レーザ１と、半
導体レーザ１からの拡散光２ａを平行光２ｂに変換する
コリメートレンズ３と、Ｓ偏光をほぼ１００％反射し、
Ｐ偏光をほぼ１００％透過するビームスプリッタ４と、
特定方向の偏光に対してλ／４（λはレーザの波長）の
位相差を与えるλ／４位相板５と、光束径を制限する開
口６ａと、半導体レーザ１からの光を被測定物の測定面
７に集光する対物レンズ８と、測定面７からの反射光２
ｃを集光する検出レンズ群９と、測定面７からの反射光
２ｃを反射光形状に応じて電気信号に変換する光検出器
１０、それに該光検出器１０からの出力信号を変位信号
に変換する信号処理回路（図示せず）とから構成されて
いる。
【０００３】半導体レーザ１を出た拡散光２ａは、コリ
メータレンズ３により平行光２ｂに変換され、偏光ビー
ムスプリッタ４に入射する。レーザの偏光方向は、偏光
ビームスプリッタ４の反射面４ａに対して偏波面がＳ偏
光になるような直線偏光に設定されており、該面４ａで
ほぼ１００％反射され、λ／４位相板５に入射されて、
円偏光に変換される。その後、開口６ａで光束径が制限
され、対物レンズ８によって被測定物の測定面７上ある
いは測定面７の近傍に集光される。被測定物に入射した
光は、その反射面７で反射され、再び対物レンズ８に入
射して略平行光に変換され、λ／４位相板５に入射す
る。λ／４位相板５に入射した光は、今度は円偏光から
ビームスプリッタ反射面に対してＰ偏光の直線偏光に変
換されるので、ビームスプリッタ４をほぼ１００％の透
過率で透過し、検出レンズ群９の凸レンズ９ａで集光さ
れ、さらにシリンドリカルレンズ９ｂにより非点収差が
付加され、光検出器１０上に集光される。
メータレンズ３により平行光２ｂに変換され、偏光ビー
ムスプリッタ４に入射する。レーザの偏光方向は、偏光
ビームスプリッタ４の反射面４ａに対して偏波面がＳ偏
光になるような直線偏光に設定されており、該面４ａで
ほぼ１００％反射され、λ／４位相板５に入射されて、
円偏光に変換される。その後、開口６ａで光束径が制限
され、対物レンズ８によって被測定物の測定面７上ある
いは測定面７の近傍に集光される。被測定物に入射した
光は、その反射面７で反射され、再び対物レンズ８に入
射して略平行光に変換され、λ／４位相板５に入射す
る。λ／４位相板５に入射した光は、今度は円偏光から
ビームスプリッタ反射面に対してＰ偏光の直線偏光に変
換されるので、ビームスプリッタ４をほぼ１００％の透
過率で透過し、検出レンズ群９の凸レンズ９ａで集光さ
れ、さらにシリンドリカルレンズ９ｂにより非点収差が
付加され、光検出器１０上に集光される。
【０００４】光検出器１０は、図７（ａ），（ｂ），
（ｃ）に示すように４分割された形状になっており、被
測定物の反射面７が対物レンズ８の焦点面と面に一致す
る時には、図７（ｂ）に示すように、光検出器１０上に
入射される光ビームの形状は最小錯乱円を形成し、断面
が円形となる。しかし測定面が、対物レンズ８の焦点面
に対してわずか遠くあるいは近くになった場合は、シリ
ンドリカルレンズ９ｂの非点収差によりビーム形状が図
７（ａ），（ｃ）に示したような楕円形状になり、光検
出器１０からの信号にアンバランスを生じる。従って、
図７（ｂ）に示すように、光検出器１０の対角成分の差
信号を取ると、測定面変位に対して図８に示すような変
位信号を得ることができ、変位の向きと量とを検出でき
る。
（ｃ）に示すように４分割された形状になっており、被
測定物の反射面７が対物レンズ８の焦点面と面に一致す
る時には、図７（ｂ）に示すように、光検出器１０上に
入射される光ビームの形状は最小錯乱円を形成し、断面
が円形となる。しかし測定面が、対物レンズ８の焦点面
に対してわずか遠くあるいは近くになった場合は、シリ
ンドリカルレンズ９ｂの非点収差によりビーム形状が図
７（ａ），（ｃ）に示したような楕円形状になり、光検
出器１０からの信号にアンバランスを生じる。従って、
図７（ｂ）に示すように、光検出器１０の対角成分の差
信号を取ると、測定面変位に対して図８に示すような変
位信号を得ることができ、変位の向きと量とを検出でき
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、前記従来例
に係る光学式変位センサは、投光に対して測定面が傾い
た場合、光検出器１０に入射する光ビームの位置が変わ
って、光検出器１０上の光量分布にアンバランスを生
じ、本来の変位信号に対してオフセットを生じため、測
定面の傾きがある場合に正確な面変位の測定ができない
という不都合がある。
に係る光学式変位センサは、投光に対して測定面が傾い
た場合、光検出器１０に入射する光ビームの位置が変わ
って、光検出器１０上の光量分布にアンバランスを生
じ、本来の変位信号に対してオフセットを生じため、測
定面の傾きがある場合に正確な面変位の測定ができない
という不都合がある。
【０００６】また、測定面に傷があったり、測定面にゴ
ミ等の異物が付着している場合、測定面からの反射光強
度分布が不均一になり、その不均一な強度分布が光検出
器上に投影されるので、光量分布にアンバランスを生
じ、測定面の変位がなくても変位があるような信号が検
出される。したがって、この構成では被測定物の測定面
が完全な鏡面である場合しか正確な測定ができないとい
う不都合がある。
ミ等の異物が付着している場合、測定面からの反射光強
度分布が不均一になり、その不均一な強度分布が光検出
器上に投影されるので、光量分布にアンバランスを生
じ、測定面の変位がなくても変位があるような信号が検
出される。したがって、この構成では被測定物の測定面
が完全な鏡面である場合しか正確な測定ができないとい
う不都合がある。
【０００７】本発明は、かかる従来技術の不備を解決す
るためになされたものであって、その目的は、測定面に
傾きがあったり測定面に傷やゴミ等があった場合にも被
測定物の変位を正確に測定でき、併せて、測定面の傾き
をも測定できる光学式変位センサを提供することにあ
る。
るためになされたものであって、その目的は、測定面に
傾きがあったり測定面に傷やゴミ等があった場合にも被
測定物の変位を正確に測定でき、併せて、測定面の傾き
をも測定できる光学式変位センサを提供することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記の目的を
達成するため、光源と、光源からの光を被測定物に投光
する投光手段と、被測定物からの反射光を受光する光検
出器とを備え、光学的に被測定物の変位及び傾きを計測
する光学式変位センサにおいて、前記被測定物からの反
射光を光源光から分離する分離手段と、反射光を分割す
るビーム分割手段と、分割された複数条のビームを夫々
集光する集光手段と、集光されたビームをそれぞれ受光
する複数組の光検出器とを有し、これら複数の光検出器
のうちの１つを前記集光手段の焦点面より前方に、他を
前記集光手段の焦点面より後方に配置した。
達成するため、光源と、光源からの光を被測定物に投光
する投光手段と、被測定物からの反射光を受光する光検
出器とを備え、光学的に被測定物の変位及び傾きを計測
する光学式変位センサにおいて、前記被測定物からの反
射光を光源光から分離する分離手段と、反射光を分割す
るビーム分割手段と、分割された複数条のビームを夫々
集光する集光手段と、集光されたビームをそれぞれ受光
する複数組の光検出器とを有し、これら複数の光検出器
のうちの１つを前記集光手段の焦点面より前方に、他を
前記集光手段の焦点面より後方に配置した。
【０００９】
【作用】２つの光検出器を被測定物からの反射光を収束
させる集光手段の像側焦点面に対して共役の位置に配置
すると、測定面の傾きあるいは測定面に付いた傷やゴミ
も影響による光検出器上の集束位置のずれが各光検出器
について対称に現われるので、その影響を電気的にキャ
ンセルすることができ、これらの影響を除去あるいは軽
減できる。また、各光検出器に現われる集束位置のずれ
のずれを取り出すことによって、被測定物の測定面の傾
きを検出できる。
させる集光手段の像側焦点面に対して共役の位置に配置
すると、測定面の傾きあるいは測定面に付いた傷やゴミ
も影響による光検出器上の集束位置のずれが各光検出器
について対称に現われるので、その影響を電気的にキャ
ンセルすることができ、これらの影響を除去あるいは軽
減できる。また、各光検出器に現われる集束位置のずれ
のずれを取り出すことによって、被測定物の測定面の傾
きを検出できる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の第１実施例を、図１及び図２
に示す。図１は第１実施例に係る光学式変位センサの光
学回路図、図２は光検出器の構成図である。これらの図
には、光学回路の座標系と、それに対応する光検出器の
座標系とが符号ｘ，ｙ，ｚで示されている。図１では、
分割された反射光束の光路が９０度異なるので、それに
伴って２つの光検出器の対応する座標系が異なってい
る。
に示す。図１は第１実施例に係る光学式変位センサの光
学回路図、図２は光検出器の構成図である。これらの図
には、光学回路の座標系と、それに対応する光検出器の
座標系とが符号ｘ，ｙ，ｚで示されている。図１では、
分割された反射光束の光路が９０度異なるので、それに
伴って２つの光検出器の対応する座標系が異なってい
る。
【００１１】図１に示すように本実施例の光学式変位セ
ンサは、光源となる半導体レーザ１と、半導体レーザ１
からの拡散光２ａを平行光２ｂに変換するコリメートレ
ンズ３と、平行光２ｂの光束径を制限する開口絞り６ｂ
と、Ｓ偏光をほぼ１００％反射し、Ｐ偏光をほぼ１００
％透過するビームスプリッタ４と、特定方向の偏光に対
してλ／４の位相差を与えるλ／４位相板５と、平行光
２ｂを被測定物の測定面に集光する対物レンズ８と、測
定面７からの反射光２ｃを集光する検出レンズ９ｃと、
検出レンズ９ｃを透過した反射光束２ｃを２分割するビ
ームスプリッタ１３と、検出レンズ９ｃによって集光さ
れ、ビームスプリッタ１３によって分割された２条のビ
ーム１４，１５を受光し、反射光２ｃの形状に応じた電
気信号に変換する光検出器２１，２２と、図２に図示す
る信号処理回路１２ａとからからなる。
ンサは、光源となる半導体レーザ１と、半導体レーザ１
からの拡散光２ａを平行光２ｂに変換するコリメートレ
ンズ３と、平行光２ｂの光束径を制限する開口絞り６ｂ
と、Ｓ偏光をほぼ１００％反射し、Ｐ偏光をほぼ１００
％透過するビームスプリッタ４と、特定方向の偏光に対
してλ／４の位相差を与えるλ／４位相板５と、平行光
２ｂを被測定物の測定面に集光する対物レンズ８と、測
定面７からの反射光２ｃを集光する検出レンズ９ｃと、
検出レンズ９ｃを透過した反射光束２ｃを２分割するビ
ームスプリッタ１３と、検出レンズ９ｃによって集光さ
れ、ビームスプリッタ１３によって分割された２条のビ
ーム１４，１５を受光し、反射光２ｃの形状に応じた電
気信号に変換する光検出器２１，２２と、図２に図示す
る信号処理回路１２ａとからからなる。
【００１２】半導体レーザ１を出た拡散光２ａは、コリ
メータレンズ３により平行光２ｂに変換された後、開口
制限６ｂにより光束径が対物レンズの有効径に対して小
さくなるよう制限される。なお、開口制限６ｂの開口の
大きさは、必要に応じて任意に設定できるが、信号検出
上充分な光量を得ることができ、かつ測定面７が多少傾
いても測定面７からの受光光量に変動がおきないように
するため、対物レンズ８の有効径に対して約半分程度と
することができる。開口制限６ｂを出た平行光２ｂは、
偏光ビームスプリッタ４に入射するが、平行光２ｂレー
ザの偏光方向は偏光ビームスプリッタ４の反射面４ａに
対して偏波面がＳ偏光になるような直線偏光に設定され
ているので、これによってほぼ１００％反射され、λ／
４位相板５に入射して円偏光に変換される。その後、対
物レンズ８に入射し、被測定物の測定面７あるいは当該
測定面７の近傍に集光される。被測定物に入射した光
は、測定面７で反射され、再び対物レンズに入射して平
行光に変換され、λ／４位相板５に再び入射する。λ／
４位相板５に入射した光は、今度は円偏光からビームス
プリッタ反射面に対してＰ偏光の直線偏光に変換される
ので、ビームスプリッタ４をほぼ１００％の透過率で透
過する。次に、検出レンズ９ｃで集束光に変換され、集
束光路中に配置されたビームスプリッタ１３により、ほ
ぼ等強度の２光束１４，１５に分割される。２つの光検
出器のうち、一方の光検出器２１は、検出レンズ９ｃの
像側焦点面より前側に配置され、他方の光検出器２２
は、検出レンズ９ｃの像側焦点面の後ろ側に配置され
る。これら２つの光検出器２１，２２は、検出レンズ９
ｃの像側焦点面に対して対称の位置、すなわち光学的に
共役な位置に配置される。
メータレンズ３により平行光２ｂに変換された後、開口
制限６ｂにより光束径が対物レンズの有効径に対して小
さくなるよう制限される。なお、開口制限６ｂの開口の
大きさは、必要に応じて任意に設定できるが、信号検出
上充分な光量を得ることができ、かつ測定面７が多少傾
いても測定面７からの受光光量に変動がおきないように
するため、対物レンズ８の有効径に対して約半分程度と
することができる。開口制限６ｂを出た平行光２ｂは、
偏光ビームスプリッタ４に入射するが、平行光２ｂレー
ザの偏光方向は偏光ビームスプリッタ４の反射面４ａに
対して偏波面がＳ偏光になるような直線偏光に設定され
ているので、これによってほぼ１００％反射され、λ／
４位相板５に入射して円偏光に変換される。その後、対
物レンズ８に入射し、被測定物の測定面７あるいは当該
測定面７の近傍に集光される。被測定物に入射した光
は、測定面７で反射され、再び対物レンズに入射して平
行光に変換され、λ／４位相板５に再び入射する。λ／
４位相板５に入射した光は、今度は円偏光からビームス
プリッタ反射面に対してＰ偏光の直線偏光に変換される
ので、ビームスプリッタ４をほぼ１００％の透過率で透
過する。次に、検出レンズ９ｃで集束光に変換され、集
束光路中に配置されたビームスプリッタ１３により、ほ
ぼ等強度の２光束１４，１５に分割される。２つの光検
出器のうち、一方の光検出器２１は、検出レンズ９ｃの
像側焦点面より前側に配置され、他方の光検出器２２
は、検出レンズ９ｃの像側焦点面の後ろ側に配置され
る。これら２つの光検出器２１，２２は、検出レンズ９
ｃの像側焦点面に対して対称の位置、すなわち光学的に
共役な位置に配置される。
【００１３】図２に示すように、光検出器２１は、間隔
を隔てて左右方向に並列された２つの光検出部２１ａ，
２１ｂと、これら２つの光検出部の間に間隔を隔てて並
列された他の２つの光検出部２１ｃ，２１ｄとからな
り、光検出器２２は、間隔を隔てて左右方向に並列され
た２つの光検出部２２ａ，２２ｂと、これら２つの光検
出部の間に間隔を隔てて並列された他の２つの光検出部
２２ｃ，２２ｄとからなる。検出レンズ９ｃの焦点面よ
り前方に配置された光検出器２１を構成する光検出部２
１ａ〜２１ｄからの出力信号を夫々Ａ1 、Ｂ1 、Ｃ1 、
Ｄ1 とし、検出レンズ９ｃの焦点面より後方に配置され
た光検出器２２を構成する光検出部２２ａ〜２２ｄから
の出力信号を夫々Ａ2 、Ｂ2 、Ｃ2 、Ｄ2 としたとき、
前記各光検出器２１，２２は、変位ｓが、{(A1＋B1)−
(A2＋B2)}／{(A1＋B1＋C1＋D1)＋(A2＋B2＋C2＋D2)}
で、１軸回りの傾きθｙが、{(A1−B1)−(A2−B2)}／
{(A1＋B1＋C1＋D1)＋(A2＋B2＋C2＋D2)}で、これと直角
方向の軸回りの傾きθｘが、{(C1−D1)−(C2−D2)}／
{(A1＋B1＋C1＋D1)＋(A2＋B2＋C2＋D2)}で、検出できる
ように結線される。
を隔てて左右方向に並列された２つの光検出部２１ａ，
２１ｂと、これら２つの光検出部の間に間隔を隔てて並
列された他の２つの光検出部２１ｃ，２１ｄとからな
り、光検出器２２は、間隔を隔てて左右方向に並列され
た２つの光検出部２２ａ，２２ｂと、これら２つの光検
出部の間に間隔を隔てて並列された他の２つの光検出部
２２ｃ，２２ｄとからなる。検出レンズ９ｃの焦点面よ
り前方に配置された光検出器２１を構成する光検出部２
１ａ〜２１ｄからの出力信号を夫々Ａ1 、Ｂ1 、Ｃ1 、
Ｄ1 とし、検出レンズ９ｃの焦点面より後方に配置され
た光検出器２２を構成する光検出部２２ａ〜２２ｄから
の出力信号を夫々Ａ2 、Ｂ2 、Ｃ2 、Ｄ2 としたとき、
前記各光検出器２１，２２は、変位ｓが、{(A1＋B1)−
(A2＋B2)}／{(A1＋B1＋C1＋D1)＋(A2＋B2＋C2＋D2)}
で、１軸回りの傾きθｙが、{(A1−B1)−(A2−B2)}／
{(A1＋B1＋C1＋D1)＋(A2＋B2＋C2＋D2)}で、これと直角
方向の軸回りの傾きθｘが、{(C1−D1)−(C2−D2)}／
{(A1＋B1＋C1＋D1)＋(A2＋B2＋C2＋D2)}で、検出できる
ように結線される。
【００１４】すなわち、被測定物の測定面７が対物レン
ズ８の焦点面と一致する場合には、各光検出器２１，２
２に入射する反射光束１４，１５の直径２ｅ，２ｆが相
等しくなるので、光検出部２１ａ，２１ｂ及び２２ａ，
２２ｂの和信号を取り、さらにそれら和信号の差動を取
ると、変位信号ｓはゼロとなる。これに対し、測定面７
がｚの負方向（光学式変位センサに対して接近する方
向）に変位すると、光検出器２１上のビーム径２ｅが大
きくなり、逆に検出器２２上のビーム径２ｆが小さくな
るので、光検出部２１ａ，２１ｂの和信号が光検出部２
２ａ，２２ｂの和信号より相対的に大きくなる。また、
測定面７がｚの正方向（光学式変位センサから離隔する
方向）に変位すると、検出器２２上のビーム径２ｆが大
きくなり、逆に光検出器２１上のビーム径２ｅが小さく
なるので、光検出部２２ａ，２２ｂの和信号が光検出部
２１ａ，２１ｂの和信号より相対的に大きくなる。よっ
て、割算器３１の出力から変位ｓの大きさと方向とを検
出できる。
ズ８の焦点面と一致する場合には、各光検出器２１，２
２に入射する反射光束１４，１５の直径２ｅ，２ｆが相
等しくなるので、光検出部２１ａ，２１ｂ及び２２ａ，
２２ｂの和信号を取り、さらにそれら和信号の差動を取
ると、変位信号ｓはゼロとなる。これに対し、測定面７
がｚの負方向（光学式変位センサに対して接近する方
向）に変位すると、光検出器２１上のビーム径２ｅが大
きくなり、逆に検出器２２上のビーム径２ｆが小さくな
るので、光検出部２１ａ，２１ｂの和信号が光検出部２
２ａ，２２ｂの和信号より相対的に大きくなる。また、
測定面７がｚの正方向（光学式変位センサから離隔する
方向）に変位すると、検出器２２上のビーム径２ｆが大
きくなり、逆に光検出器２１上のビーム径２ｅが小さく
なるので、光検出部２２ａ，２２ｂの和信号が光検出部
２１ａ，２１ｂの和信号より相対的に大きくなる。よっ
て、割算器３１の出力から変位ｓの大きさと方向とを検
出できる。
【００１５】測定面７が図１のｘ軸回りに傾くと、反射
光束２ｃがｙ軸方向にずれるので、光検出器２１，２２
に入射する反射光束の位置も図２のｙ軸方向にずれる。
しかし、光検出器２１，２２の形状から、ｙ方向に光ビ
ームがずれても光検出器２１，２２の大きさ以内であれ
ば検出光量に変動を生じない。したがって、変位信号ｓ
は測定面７のｘ軸回りの傾きには影響されない。
光束２ｃがｙ軸方向にずれるので、光検出器２１，２２
に入射する反射光束の位置も図２のｙ軸方向にずれる。
しかし、光検出器２１，２２の形状から、ｙ方向に光ビ
ームがずれても光検出器２１，２２の大きさ以内であれ
ば検出光量に変動を生じない。したがって、変位信号ｓ
は測定面７のｘ軸回りの傾きには影響されない。
【００１６】また、測定面７が図１のｙ軸回りに傾く
と、反射光束２ｃがｘ軸方向にずれるので、光検出器２
１，２２に入射する反射光束の位置も図２のｘ軸方向に
ずれる。したがって、光検出部２１ａ，２１ｂの光量バ
ランスはずれるが、光ビームの位置ずれが比較的小さい
場合には、例えば光検出部２１ａの光量がへった分、光
検出部２１ｂの光量が増え、両光検出部２１ａ，２１ｂ
の光量和はあまり変わらないので、この場合にも変位信
号ｓへの影響はない。これは光検出器２２についても同
様である。さらに、測定面７の傾き量が大きく、光ビー
ムが比較的大きくずれて、光検出部２１ａ，２１ｂの光
量和が多少変動した場合でも、光検出器２１と光検出器
２２とは検出レンズ９ｃの焦点面に対して対称の位置に
あるので、光検出器２１の光量変動と同等の光量変動が
検出器２２でも生じ、２組の光検出器２１，２２の差信
号から得ている変位信号は影響を受けにくい。
と、反射光束２ｃがｘ軸方向にずれるので、光検出器２
１，２２に入射する反射光束の位置も図２のｘ軸方向に
ずれる。したがって、光検出部２１ａ，２１ｂの光量バ
ランスはずれるが、光ビームの位置ずれが比較的小さい
場合には、例えば光検出部２１ａの光量がへった分、光
検出部２１ｂの光量が増え、両光検出部２１ａ，２１ｂ
の光量和はあまり変わらないので、この場合にも変位信
号ｓへの影響はない。これは光検出器２２についても同
様である。さらに、測定面７の傾き量が大きく、光ビー
ムが比較的大きくずれて、光検出部２１ａ，２１ｂの光
量和が多少変動した場合でも、光検出器２１と光検出器
２２とは検出レンズ９ｃの焦点面に対して対称の位置に
あるので、光検出器２１の光量変動と同等の光量変動が
検出器２２でも生じ、２組の光検出器２１，２２の差信
号から得ている変位信号は影響を受けにくい。
【００１７】次に、測定面７に傷あるいはゴミ等がある
場合の影響について説明する。この場合にも、測定面７
からの反射光束の強度分布が不均一になり、測定面７が
傾斜した場合と同様に光検出器２１、２２上で入射光量
のアンバランスを生じるが、前述したと同様に、光検出
器２１のアンバランスと同等のアンバランスが光検出器
２２にも生じるので、両検出器２１，２２からの出力信
号の差信号をとることによって、変位信号ｓへの影響を
非常に小さいものにできる。
場合の影響について説明する。この場合にも、測定面７
からの反射光束の強度分布が不均一になり、測定面７が
傾斜した場合と同様に光検出器２１、２２上で入射光量
のアンバランスを生じるが、前述したと同様に、光検出
器２１のアンバランスと同等のアンバランスが光検出器
２２にも生じるので、両検出器２１，２２からの出力信
号の差信号をとることによって、変位信号ｓへの影響を
非常に小さいものにできる。
【００１８】加えて、前述したとおり変位信号ｓは測定
面７の傾きに影響されにくいこと、及び測定面７のｘ軸
回りの傾きにより光検出部２１ｃ，２１ｄ及び２２ｃ，
２２ｄにアンバランスを生じ、またｙ軸回りの傾きによ
り光検出部２１ａ，２１ｂ及び２２ａ，２２ｂにアンバ
ランスを生じることから、このアンバランスを検出する
ことによって、測定面７のｘ軸回りの傾きθｘ及びその
方向、それにｙ軸回りの傾きθｙ及びその方向を測定す
ることもできる。この場合、図２の信号処理回路１２ａ
では、光検出器２１，２２から夫々得られるアンバラン
ス信号の差信号で傾きの大きさθｘ，θｙを検出してい
るので、高感度な傾き信号を安定に取り出すことができ
る。なお、前記実施例のセンサは、測定面の微小な変位
及び傾きを測定するものであって、測定可能な傾きの範
囲は２〜３度程度であり、０．５〜１．０度程度の傾き
を最も高精度に検出することができる。したがって、前
記実施例のセンサは、光ディスクの面振れの測定等に特
に好適である。
面７の傾きに影響されにくいこと、及び測定面７のｘ軸
回りの傾きにより光検出部２１ｃ，２１ｄ及び２２ｃ，
２２ｄにアンバランスを生じ、またｙ軸回りの傾きによ
り光検出部２１ａ，２１ｂ及び２２ａ，２２ｂにアンバ
ランスを生じることから、このアンバランスを検出する
ことによって、測定面７のｘ軸回りの傾きθｘ及びその
方向、それにｙ軸回りの傾きθｙ及びその方向を測定す
ることもできる。この場合、図２の信号処理回路１２ａ
では、光検出器２１，２２から夫々得られるアンバラン
ス信号の差信号で傾きの大きさθｘ，θｙを検出してい
るので、高感度な傾き信号を安定に取り出すことができ
る。なお、前記実施例のセンサは、測定面の微小な変位
及び傾きを測定するものであって、測定可能な傾きの範
囲は２〜３度程度であり、０．５〜１．０度程度の傾き
を最も高精度に検出することができる。したがって、前
記実施例のセンサは、光ディスクの面振れの測定等に特
に好適である。
【００１９】測定面７に変位と傾きとが同時に発生した
場合には、変位の影響によって傾きの検出感度が変化す
ることも考えられるが、前述したように傾き信号θｘ，
θｙは光検出器２１，２２の差信号で得ているため、変
位の影響を受けにくく、また影響を受けた場合でも、変
位信号ｓから補正することも可能である。さらに、図２
の信号処理回路１２ａは、測定面７の反射率変動の影響
を除去するため、変位信号ｓ及び傾き信号θｘ，θｙが
前受光量との比で正規化されて出力されるように構成さ
れている。
場合には、変位の影響によって傾きの検出感度が変化す
ることも考えられるが、前述したように傾き信号θｘ，
θｙは光検出器２１，２２の差信号で得ているため、変
位の影響を受けにくく、また影響を受けた場合でも、変
位信号ｓから補正することも可能である。さらに、図２
の信号処理回路１２ａは、測定面７の反射率変動の影響
を除去するため、変位信号ｓ及び傾き信号θｘ，θｙが
前受光量との比で正規化されて出力されるように構成さ
れている。
【００２０】次に、本発明の第２実施例を図３に基づい
て説明する。本実施例は、光検出器及び信号処理回路と
して図３に示すものを用いたことを特徴とするものであ
って、光学回路の他の部分については、図１に示したも
のが用いられる。
て説明する。本実施例は、光検出器及び信号処理回路と
して図３に示すものを用いたことを特徴とするものであ
って、光学回路の他の部分については、図１に示したも
のが用いられる。
【００２１】本例の光検出器３１は、中央部に配置され
た光検出部（中央光検出部）３１ａと、該中央光検出部
３１ａを介してその左右方向に配置された２つの光検出
部３１ｂ，３１ｃと、前記中央光検出部３１ａを介して
その上下方向に配置された他の２つの光検出部３１ｄ，
３１ｅとからなる。一方、光検出器３２は、中央光検出
部３２ａと、該中央光検出部３２ａを介してその左右方
向に配置された２つの光検出部３２ｂ，３２ｃと、前記
中央光検出部３２ａを介してその上下方向に配置された
他の２つの光検出部３２ｄ，３２ｅとからなる。そし
て、これらの各光検出部３１ａ〜３１ｅ，３２ａ〜３２
ｅは、検出レンズ９ｃの焦点面より前方に配置された光
検出器３１を構成する各光検出部３１ａ〜３１ｅからの
出力信号を夫々Ａ1 、Ｂ1 、Ｃ1 、Ｄ1 、Ｅ1 とし、検
出レンズ９ｃの焦点面より後方に配置された各光検出器
３２を構成する光検出部３２ａ〜３２ｅからの出力信号
を夫々Ａ2 、Ｂ2 、Ｃ2 、Ｄ2 、Ｅ2 としたとき、変位
ｓが、{(B1+C1+D1+E1)-(B2+C2+D2+E2)}／{(A1+B1+C1+D1
+E1)+(A2+B2+C2+D2+E2)}で、１軸回りの傾きθｙが、
{(B1-C1)−(B2-C2)}／{(A1+B1+C1+D1+E1)＋(A2+B2+C2+D
2+E2)}で、これと直角方向の軸回りの傾きθｘが、{(D1
-E1)−(D2-E2)}／{(A1+B1+C1+D1+E1)＋(A2+B2+C2+D2+
E2)}で、検出できるように結線されている。
た光検出部（中央光検出部）３１ａと、該中央光検出部
３１ａを介してその左右方向に配置された２つの光検出
部３１ｂ，３１ｃと、前記中央光検出部３１ａを介して
その上下方向に配置された他の２つの光検出部３１ｄ，
３１ｅとからなる。一方、光検出器３２は、中央光検出
部３２ａと、該中央光検出部３２ａを介してその左右方
向に配置された２つの光検出部３２ｂ，３２ｃと、前記
中央光検出部３２ａを介してその上下方向に配置された
他の２つの光検出部３２ｄ，３２ｅとからなる。そし
て、これらの各光検出部３１ａ〜３１ｅ，３２ａ〜３２
ｅは、検出レンズ９ｃの焦点面より前方に配置された光
検出器３１を構成する各光検出部３１ａ〜３１ｅからの
出力信号を夫々Ａ1 、Ｂ1 、Ｃ1 、Ｄ1 、Ｅ1 とし、検
出レンズ９ｃの焦点面より後方に配置された各光検出器
３２を構成する光検出部３２ａ〜３２ｅからの出力信号
を夫々Ａ2 、Ｂ2 、Ｃ2 、Ｄ2 、Ｅ2 としたとき、変位
ｓが、{(B1+C1+D1+E1)-(B2+C2+D2+E2)}／{(A1+B1+C1+D1
+E1)+(A2+B2+C2+D2+E2)}で、１軸回りの傾きθｙが、
{(B1-C1)−(B2-C2)}／{(A1+B1+C1+D1+E1)＋(A2+B2+C2+D
2+E2)}で、これと直角方向の軸回りの傾きθｘが、{(D1
-E1)−(D2-E2)}／{(A1+B1+C1+D1+E1)＋(A2+B2+C2+D2+
E2)}で、検出できるように結線されている。
【００２２】本例の光検出器３１，３２及び信号処理回
路１２ｂを用いると、前記第１実施例と同様の効果が得
られるほか、光検出器３１を構成する光検出部３１ｂ〜
３１ｅが光検出部３１ａの周囲に等分に配置され、また
光検出器３２を構成する光検出部３２ｂ〜３２ｅが光検
出部３２ａの周囲に等分に配置されているので、測定面
７のｘ軸回りの傾きとｙ軸回りの傾きを同一感度で検出
できるという効果がある。
路１２ｂを用いると、前記第１実施例と同様の効果が得
られるほか、光検出器３１を構成する光検出部３１ｂ〜
３１ｅが光検出部３１ａの周囲に等分に配置され、また
光検出器３２を構成する光検出部３２ｂ〜３２ｅが光検
出部３２ａの周囲に等分に配置されているので、測定面
７のｘ軸回りの傾きとｙ軸回りの傾きを同一感度で検出
できるという効果がある。
【００２３】次に、本発明の第３実施例を図４に基づい
て説明する。本実施例は、被測定物の測定光入射側に複
数の反射面がある場合において、特定の反射面からの反
射光を選択的に検出できるようにしたことを特徴とする
ものであって、図１に示した２つのビームスプリッタ
４，１３の間に、フィルターレンズ１６と、該フィルタ
ーレンズ１６の後ろ側焦点に空間フィルターとなりうる
ピンホール１７と、その後方に検出レンズ９ｄを配置し
た構成になっている。その他の点については、図１と同
じであり、光検出器及び信号処理回路としては、図２の
ものを用いることもできるし、図３のものを用いること
もできる。
て説明する。本実施例は、被測定物の測定光入射側に複
数の反射面がある場合において、特定の反射面からの反
射光を選択的に検出できるようにしたことを特徴とする
ものであって、図１に示した２つのビームスプリッタ
４，１３の間に、フィルターレンズ１６と、該フィルタ
ーレンズ１６の後ろ側焦点に空間フィルターとなりうる
ピンホール１７と、その後方に検出レンズ９ｄを配置し
た構成になっている。その他の点については、図１と同
じであり、光検出器及び信号処理回路としては、図２の
ものを用いることもできるし、図３のものを用いること
もできる。
【００２４】本例の光学回路によると、フィルターレン
ズ１６の後ろ側焦点に空間フィルターとなりうるピンホ
ール１７を配置したので、測定面７から大きくはずれた
他の反射面、例えば図４に示した他の反射面１８からの
反射光は、フィルターレンズを透過後ピンホール１７面
上でデフォーカスしてしまい、ほとんどピンホール１７
を透過できない。したがって、目的としない反射面１８
の変位信号が測定面の変位信号に漏れ込みにくく、測定
精度を大幅に改善できる。
ズ１６の後ろ側焦点に空間フィルターとなりうるピンホ
ール１７を配置したので、測定面７から大きくはずれた
他の反射面、例えば図４に示した他の反射面１８からの
反射光は、フィルターレンズを透過後ピンホール１７面
上でデフォーカスしてしまい、ほとんどピンホール１７
を透過できない。したがって、目的としない反射面１８
の変位信号が測定面の変位信号に漏れ込みにくく、測定
精度を大幅に改善できる。
【００２５】一方、測定対象面７からの反射は、ピンホ
ール１７を透過し、更に検出レンズ９ｄにより集束光に
変換される。その後の構成は、第一の実施例と同等であ
る。また、測定面７が傾いた場合を考えると、測定面７
の変位があまり大きくなければ、測定面７の傾きにより
反射光束の位置がずれた場合でも、フィルターレンズ１
６によりピンホール１７上にふたたび集光され、ピンホ
ール１７を透過するので、変位及び傾きの測定が可能で
ある。
ール１７を透過し、更に検出レンズ９ｄにより集束光に
変換される。その後の構成は、第一の実施例と同等であ
る。また、測定面７が傾いた場合を考えると、測定面７
の変位があまり大きくなければ、測定面７の傾きにより
反射光束の位置がずれた場合でも、フィルターレンズ１
６によりピンホール１７上にふたたび集光され、ピンホ
ール１７を透過するので、変位及び傾きの測定が可能で
ある。
【００２６】その他、前記各実施例においては、被測定
物に光を集光する手段としてレンズ８を用いたが、これ
に代えて図５に示したように、凹面鏡特に放物面を有す
る凹面鏡１９を用いることもできる。
物に光を集光する手段としてレンズ８を用いたが、これ
に代えて図５に示したように、凹面鏡特に放物面を有す
る凹面鏡１９を用いることもできる。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
被測定物からの反射光を分割して夫々集光し、その焦点
面よりも前方に配置された光検出器と後方に配置された
光検出器とをもって反射光を受光するようにしたので、
測定面の傾きや面上の傷、ごみ等に影響されにくい変位
信号が得られるばかりではなく、同時に面の傾きを測定
可能なセンサを実現出来る。
被測定物からの反射光を分割して夫々集光し、その焦点
面よりも前方に配置された光検出器と後方に配置された
光検出器とをもって反射光を受光するようにしたので、
測定面の傾きや面上の傷、ごみ等に影響されにくい変位
信号が得られるばかりではなく、同時に面の傾きを測定
可能なセンサを実現出来る。
【図１】第１実施例に係る光学式変位センサの光学回路
図である。
図である。
【図２】光検出器の形状及び信号処理回路の第１例を示
す回路図である。
す回路図である。
【図３】光検出器の形状及び信号処理回路の第２例を示
す回路図である。
す回路図である。
【図４】第２実施例に係る光学式変位センサの光学回路
図である。
図である。
【図５】第３実施例に係る光学式変位センサの光学回路
図である。
図である。
【図６】従来例に係る光学式変位センサの光学回路図で
ある。
ある。
【図７】従来例に係る光検出器の形状と配線を示す説明
図である。
図である。
【図８】従来例に係る光検出器からの変位信号特性を模
式的に表すグラフ図である。
式的に表すグラフ図である。
１ 半導体レーザ ３ コリメートレンズ ４ 偏光ビームスプリッタ ５ λ／４位相板 ６ｂ 開口制限 ７ 測定面 ８ 対物レンズ ９ 検出レンズ群 ９ｃ，９ｄ 検出レンズ １２ａ，１２ｂ 信号処理回路 １３ ビームスプリッタ １４，１５ 収束光 １６ フィルターレンズ １７ ピンホール １８ 集光ミラー ２１，２２，３１，３２ 光検出器
Claims (7)
- 【請求項１】 光源と、光源からの光を被測定物に投光
する投光手段と、被測定物からの反射光を受光する光検
出器とを備え、光学的に被測定物の変位及び傾きを計測
する光学式変位センサにおいて、前記被測定物からの反
射光を光源光から分離する分離手段と、反射光を分割す
るビーム分割手段と、分割された複数条のビームを夫々
集光する集光手段と、集光されたビームをそれぞれ受光
する複数組の光検出器とを有し、これら複数の光検出器
のうちの１つを前記集光手段の焦点面より前方に、他を
前記集光手段の焦点面より後方に配置したことを特徴と
する光学式変位センサ。 - 【請求項２】 請求項１において、前記投光手段に入射
する光源光の光束を該投光手段の有効径より小さくする
開口制限を、前記被測定物からの反射光束が通らない部
分に配置したことを特徴とする光学式変位センサ。 - 【請求項３】 請求項１又は２のいずれかにおいて、前
記投光手段が、レンズ又は凹面鏡であることを特徴とす
る光学式変位センサ。 - 【請求項４】 請求項１において、前記集光手段の焦点
面の前方に配置された光検出器と、前記集光手段の焦点
面の後方に配置された光検出器とが、互いに同一に構成
され、かつ互いに光学的に共役の位置に配置されている
ことを特徴とする光学式変位センサ。 - 【請求項５】 請求項４において、前記光検出器が、間
隔を隔てて並列された２つの光検出部と、これら２つの
光検出部の間に間隔を隔てて並列された他の２つの光検
出部とからなり、前記集光手段の焦点面より前方に配置
された光検出器を構成する光検出部のうち、前記間隔を
隔てて並列された２つの光検出部からの出力信号をＡ1
及びＢ1 、これら２つの光検出部の間に間隔を隔てて並
列された他の２つの光検出部からの出力信号をＣ1 及び
Ｄ1 、前記集光手段の焦点面より後方に配置された光検
出器を構成する光検出部のうち、前記間隔を隔てて並列
された２つの光検出部からの出力信号をＡ2 及びＢ2 、
これら２つの光検出部の間に間隔を隔てて並列された他
の２つの光検出部からの出力信号をＣ2 及びＤ２とした
とき、変位ｓが、 ｛（Ａ１＋B1)−(A2＋B2)}／{(A1＋B1＋C1＋D1)＋(A2＋
B2＋C2＋D2)}で、１軸回りの傾きθｙが、 {(A1−B1)−(A2−B2)}／{(A1＋B1＋C1＋D1)＋(A2＋B2＋
C2＋D2)}で、これと直角方向の軸回りの傾きθｘが、 {(C1−D1)−(C2−D2)}／{(A1＋B1＋C1＋D1)＋(A2＋B2＋
C2＋D2)}で、検出できるように構成されていることを特
徴とする光学式変位センサ。 - 【請求項６】 請求項４において、前記光検出器が、中
央光検出部と、該中央光検出部を介してその左右方向に
配置された２つの光検出部と、前記中央光検出部を介し
てその上下方向に配置された他の２つの光検出部とから
なり、前記集光手段の焦点面より前方に配置された光検
出器を構成する光検出部のうち、前記中央光検出部から
の出力信号をＡ1 、前記左右方向に配置された２つの光
検出部からの出力信号をＢ1 及びＣ1 、前記上下方向に
配置された他の２つの光検出部からの出力信号をＤ1 及
びＥ1 、前記集光手段の焦点面より後方に配置された光
検出器を構成する光検出部のうち、前記中央光検出部か
らの出力信号をＡ2 、前記左右方向に配置された２つの
光検出部からの出力信号をＢ2 及びＣ2 、前記上下方向
に配置された他の２つの光検出部からの出力信号をＤ2
及びＥ2 としたとき、変位ｓが、 {(B1+C1+D1+E1)-(B2+C2+D2+E2)}／{(A1+B1+C1+D1+E1)+
(A2+B2+C2+D2+E2)}で、１軸回りの傾きθｙが、 {(B1-C1)−(B2-C2)}／{(A1+B1+C1+D1+E1)＋(A2+B2+C2+D
2+E2)}で、これと直角方向の軸回りの傾きθｘが、 {(D1-E1)−(D2-E2)}／{(A1+B1+C1+D1+E1)＋(A2+B2+C2+D
2+E2)}で、検出できるように構成されていることを特徴
とする光学式変位センサ。 - 【請求項７】 請求項１において、前記反射光束の光路
上に、前記被測定物上の多数の光反射面の中から特定の
光反射面の反射光を選定するための空間フィルターを備
えたことを特徴とする光学式変位センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP744993A JPH06213623A (ja) | 1993-01-20 | 1993-01-20 | 光学式変位センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP744993A JPH06213623A (ja) | 1993-01-20 | 1993-01-20 | 光学式変位センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06213623A true JPH06213623A (ja) | 1994-08-05 |
Family
ID=11666153
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP744993A Pending JPH06213623A (ja) | 1993-01-20 | 1993-01-20 | 光学式変位センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06213623A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010019836A (ja) * | 2008-06-13 | 2010-01-28 | Katsura Opto Systems:Kk | 変位チルトセンサ |
| KR101028644B1 (ko) * | 2008-12-31 | 2011-04-11 | 안동대학교 산학협력단 | 다자유도 운동 측정장치 및 방법 |
| JP2014095630A (ja) * | 2012-11-09 | 2014-05-22 | Denso Corp | レーダ装置 |
| US9329025B2 (en) | 2013-05-28 | 2016-05-03 | Fuji Xerox Co., Ltd. | Measuring device |
| CN107148550A (zh) * | 2014-08-29 | 2017-09-08 | 株式会社尼康 | 表面形状测定装置 |
| WO2024005442A1 (ko) * | 2022-06-28 | 2024-01-04 | 엘지전자 주식회사 | 광학계를 이용한 다축 변위 동시 측정 장치 |
-
1993
- 1993-01-20 JP JP744993A patent/JPH06213623A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010019836A (ja) * | 2008-06-13 | 2010-01-28 | Katsura Opto Systems:Kk | 変位チルトセンサ |
| KR101028644B1 (ko) * | 2008-12-31 | 2011-04-11 | 안동대학교 산학협력단 | 다자유도 운동 측정장치 및 방법 |
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| EP3187822A4 (en) * | 2014-08-29 | 2018-03-28 | Nikon Corporation | Surface shape measuring device |
| WO2024005442A1 (ko) * | 2022-06-28 | 2024-01-04 | 엘지전자 주식회사 | 광학계를 이용한 다축 변위 동시 측정 장치 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20020709 |